裝配式建筑預(yù)制混凝土外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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摘要：廣州某高層住宅小區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，其外墻凸窗采用預(yù)制混凝土墻體。凸窗在工廠預(yù)制生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)吊裝定位后，與周邊的剪力墻和梁現(xiàn)場(chǎng)整澆。預(yù)制混凝土外墻可采用懸掛式和側(cè)連式的連接構(gòu)造形式，本項(xiàng)目采用側(cè)連式。本文詳細(xì)介紹了凸窗預(yù)制墻體的受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，可為類(lèi)似的PC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：預(yù)制混凝土外墻；受力分析；設(shè)計(jì)方法

1概述

我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)期，也處于城鎮(zhèn)化率30%~70%的快速發(fā)展區(qū)間，城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展促使了建筑業(yè)的飛速擴(kuò)張，同時(shí)也帶來(lái)了能源和污染雙重危機(jī)。目前我國(guó)建筑能耗占總能耗的30%［1］以上，我國(guó)要實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，必須提高住宅產(chǎn)業(yè)的集約化程度，促進(jìn)住宅建設(shè)整體水平提高?！秶?guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014－2020年）》指出要提高城市可持續(xù)發(fā)展能力，實(shí)施綠色建筑行動(dòng)計(jì)劃，強(qiáng)力推進(jìn)建筑工業(yè)化。2016年國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議指出按照推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的要求，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)、混凝土等裝配式建筑。隨后國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》，指出要力爭(zhēng)用10年左右的時(shí)間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%。裝配式建筑（簡(jiǎn)稱(chēng)PC）是以預(yù)制構(gòu)件為主要構(gòu)件［2］，經(jīng)裝配、連接而成的混凝土結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，是經(jīng)規(guī)劃設(shè)計(jì)將建筑物拆分成構(gòu)件在工廠里預(yù)制生產(chǎn)，然后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，在工地拼裝建造的工法。而預(yù)制裝配式混凝土外墻掛板作為PC建筑的重要組成部分，因其出色的工業(yè)化產(chǎn)品質(zhì)量，較好地解決了傳統(tǒng)建筑外墻漏水、裂縫等頑疾，而成為采用預(yù)制部位的首選目標(biāo)。裝配式結(jié)構(gòu)經(jīng)常采用“內(nèi)澆外掛體系”，即建筑結(jié)構(gòu)主體采用現(xiàn)場(chǎng)澆注混凝土，外墻采用預(yù)制混凝土構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)深圳市《預(yù)制裝配混凝土外墻技術(shù)規(guī)程：SJG24-2012》，PC外墻應(yīng)按非結(jié)構(gòu)構(gòu)件考慮，整體分析應(yīng)計(jì)入PC外墻板及連接對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響。PC外墻可采用懸掛式和側(cè)連式的連接構(gòu)造形式，并根據(jù)不同的連接形式采用相應(yīng)的計(jì)算方法。

2裝配式外墻工程案例

某工程項(xiàng)目位于廣州市科學(xué)城東部，有3棟32～34層的住宅樓采用預(yù)制構(gòu)件，預(yù)制構(gòu)件包括外墻凸窗和室內(nèi)樓梯。34層住宅主屋面高度為97.65m，32層住宅主屋面高度為92.05m，地下2層。結(jié)構(gòu)選用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，樓蓋為現(xiàn)澆梁板樓蓋，建筑周圈梁的梁截面為（200～300）mm×550mm，與窗洞口齊平。本工程的凸窗采用預(yù)制墻板體系，現(xiàn)場(chǎng)吊裝定位后，與周測(cè)的剪力墻和梁現(xiàn)場(chǎng)整澆。預(yù)制墻板混凝土等級(jí)為C30，預(yù)制墻板與主體結(jié)構(gòu)之間的連接鋼筋采用HRB400級(jí)，墻板鋼筋采用HPB300和HRB400兩種級(jí)別。在該工程中預(yù)制外墻主要采取外掛的形式，上端采用U型鋼筋與梁連接，并設(shè)置剪力鍵，兩側(cè)采用單排鋼筋與墻、柱連接，下端為自由。

3預(yù)制墻體設(shè)計(jì)驗(yàn)算

3.1預(yù)制墻體受力分析

3.1.1正常使用階段在主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮預(yù)制構(gòu)件對(duì)地震力的影響。由于多數(shù)預(yù)制外墻都設(shè)有較大的窗洞口，其剛度的影響較小，可以作為非承重墻體按照規(guī)范要求適當(dāng)調(diào)整周期折減系數(shù)。地震力計(jì)算時(shí)，在模型中邊梁剛度可考慮放大1.5倍。預(yù)制外墻設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)荷載、地震作用，并按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載組合，并應(yīng)取各自的最不利的效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.1.2施工階段對(duì)于構(gòu)件在起吊、運(yùn)輸、安裝過(guò)程，建議采用鋼構(gòu)件臨時(shí)加固方式，以提高其強(qiáng)度和剛度，保證構(gòu)件不產(chǎn)生裂縫、開(kāi)裂以至破壞，鋼構(gòu)件又可以重復(fù)使用。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)復(fù)核起吊、運(yùn)輸、安裝構(gòu)件的強(qiáng)度和裂縫。

3.2荷載計(jì)算

3.2.1風(fēng)荷載根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB50009-2012》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“荷載規(guī)范”）進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合本工程所處的環(huán)境和位置，地面粗糙度類(lèi)別取C，主體結(jié)構(gòu)為塔樓，體型系數(shù)取1.4，驗(yàn)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，采用50年一遇的風(fēng)壓。根據(jù)荷載規(guī)范公式8.1.1-2，計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式為：wk=bgzms1mzw0式中：w0為基本風(fēng)壓，w0=0.50kN/m2；bgz為陣風(fēng)系數(shù)，查荷載規(guī)范bgz=1.695；ms1為局部風(fēng)荷載體型系數(shù)，按《預(yù)制裝配混凝土外墻技術(shù)規(guī)程（深圳市標(biāo)準(zhǔn)）：SJG24-2012》第6.3.3條規(guī)定，驗(yàn)算預(yù)制外墻在風(fēng)荷載平面外的承載力時(shí)，ms1不應(yīng)小于2；mz為最高屋面的風(fēng)壓高度變化系數(shù)，本工程建筑物最高高度97.65m，mz=1.484）。將以上參數(shù)代入公式，得wk=1.695×2.0×1.484×0.50=2.52kN/m2。3.2.2地震作用根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50011-2010》，本工程場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。水平地震對(duì)預(yù)制外墻的作用計(jì)算方法如下：根據(jù)《預(yù)制裝配整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（深圳市標(biāo)準(zhǔn)）：SJG18-2009》第6.5.1條的規(guī)定，qE=3aEmq，其中，qE為多遇地震作用下垂直于單位面積外墻掛墻板的水平地震作用；aE為多遇地震作用下外掛墻板所在樓層的加速度，根據(jù)設(shè)計(jì)軟件中查得樓層地震作用與該層樓層重力荷載代表值之比的最大值為0.0594，取樓層加速度aE=0.08；mq為單位面積外掛墻板的質(zhì)量.

3.3預(yù)制墻板承載力驗(yàn)算

3.3.1窗側(cè)豎板沿PC面內(nèi)方向的抗彎承載力驗(yàn)算（地震作用沿PC窗面內(nèi)方向）以其中某一類(lèi)型的墻板為例。進(jìn)行窗側(cè)豎板沿PC面內(nèi)方向的抗彎承載力驗(yàn)算時(shí)，邊界條件可按窗頂固定，其它三邊自由考慮。驗(yàn)算窗洞兩側(cè)的窗側(cè)豎板在設(shè)防烈度地震作用（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中震”）下、罕遇地震作用（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“大震”）下是否滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。設(shè)防烈度地震作用近似取3aEmq，罕遇地震作用近似取6aEmq。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50011-2010》第5.4.2條規(guī)定，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面抗震驗(yàn)算，應(yīng)采用的公式為：S≤R/γRE，其中γRE取0.80。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的結(jié)果，窗側(cè)豎板根部的彎矩M中（中震）=3.5kN•m3；M大（大震）=5.1kN•m3；窗側(cè)豎板截面b=700mm，h=200mm。⑴驗(yàn)算中震作用下是否滿足彈性要求M中=3.5kN•m3，根據(jù)受彎構(gòu)件承載力計(jì)算公式計(jì)算，相對(duì)界限受壓區(qū)高度ξb=β1［1+fy/（Es×εcu）］=0.518，求得As=49mm2，配筋率ρ=As/（bh）=0.035%，最小配筋量As，min=280mm2。實(shí)際配筋3○14+2○12，配筋面積688mm2，滿足中震彈性要求。⑵驗(yàn)算大震作用下是否滿足不屈服要求M大=5.1kN•m3，根據(jù)受彎構(gòu)件承載力計(jì)算公式計(jì)算，相對(duì)界限受壓區(qū)高度ξb=β1［1+fyk/（Es×εcu）］=0.498，求得As=64mm2，配筋率ρ=As/（bh）=0.046%，最小配筋量As，min=bhρmin=280mm2。實(shí)際配筋3○14+2○12，配筋面積688mm2，滿足大震不屈服要求。3.3.2窗側(cè)豎板沿PC面外方向的抗彎承載力驗(yàn)算（地震作用沿PC窗面外方向）首先要驗(yàn)算窗洞兩側(cè)的窗側(cè)豎板在中震、大震作用下是否滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。中震的地震作用近似取3aEmq，大震的地震作用近似取6aEmq。根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，窗側(cè)豎板根處彎矩M中=6.3kN•m3；M大=8.8kN•m3；窗側(cè)豎板截面b=200mm，h=700mm。⑴驗(yàn)算中震作用下是否滿足彈性要求M中=6.3kN•m3，根據(jù)受彎構(gòu)件承載力計(jì)算公式計(jì)算，相對(duì)界限受壓區(qū)高度ξb=0.518，求得As=21mm2，配筋率ρ=0.015%，最小配筋量As，min=280mm2。實(shí)際配筋2○14mm2，配筋面積308mm2，滿足中震彈性要求。⑵驗(yàn)算大震作用下是否滿足不屈服要求M大=8.8kN•m3，根據(jù)受彎構(gòu)件承載力計(jì)算公式計(jì)算，相對(duì)界限受壓區(qū)高度ξb=0.498，求得As=27mm2，配筋率ρ=0.019%，最小配筋量As，min=280mm2。實(shí)際配筋2○14，配筋面積308mm2，滿足大震不屈服要求。3.3.3窗臺(tái)橫板沿PC面外方向的抗彎承載力驗(yàn)算（地震作用沿PC窗面外方向）按窗底自由，其他三邊固定考慮，驗(yàn)算窗臺(tái)板是否滿足在小震彈性的抗震性能目標(biāo)及風(fēng)荷載作用下的承載力，具體計(jì)算略。

4結(jié)語(yǔ)

工廠化預(yù)制混凝土墻工藝的出現(xiàn)，很大程度上改變了傳統(tǒng)的作業(yè)方式，外墻板、樓梯、陽(yáng)臺(tái)板等主要構(gòu)件都由工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)吊裝。鋁合金門(mén)窗框與預(yù)制外墻板一起澆搗，徹底杜絕了鋁窗滲水的通病，由于工廠化的程度提高，很大程度上減少了現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，施工工期比傳統(tǒng)施工工藝的施工工期提高了很多，為總體施工創(chuàng)造了有利條件，現(xiàn)場(chǎng)文明施工也有很大的提高［3-4］。住宅產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目可有效減少施工噪聲及能源和材料的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)綠色施工，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。目前，從預(yù)制裝配式建筑在發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，其發(fā)展已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)［5-6］。

參考文獻(xiàn)

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作者：肖芳 王景梅 李明 單位：廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院  廣州萬(wàn)科企業(yè)有限公司